Российские исследователи разработали метод создания ДНК-чипа, который полностью совместим с привычными компьютерами. В представленной технологии биологические молекулы вступают в химические реакции, которые выступают аналогом логических операций. Такая гибридная вычислительная система может применяться, например, в персонализированной медицине для быстрого выявления множества заболеваний по единственному образцу крови, а также в задачах шифрования данных или работы искусственного интеллекта. Сейчас разработчики проводят испытания отдельных компонентов микросхемы в лабораторных условиях. По мнению специалистов, эта технология может реально использоваться на практике, но вероятно, лишь для выполнения специализированных задач.
Российские ученые создали гибридный биочипКоманда МФТИ предложила уникальную архитектуру для гибридных вычислительных систем, сочетающих традиционные электронные чипы и биологические элементы. Для проведения расчетов в них применяются молекулы ДНК. Биокомпьютеры разрабатываются во многих странах, однако одной из ключевых проблем остается их несовместимость с привычной электроникой. Новая идея российских ученых устраняет эту преграду. Построенные по их схеме устройства способны проводить сверхскоростной анализ информации, например, одновременную диагностику разнообразных заболеваний по капле крови либо ускорять алгоритмы искусственного интеллекта, особенно при распознавании образов, где современные вычислительные мощности с этим справляются недостаточно эффективно. Кроме того, такие вычисления потенциально потребляют значительно меньше энергии.
— Проблема совместимости решается за счет уникальных свойств биомолекул. Молекулы ДНК могут быть запрограммированы таким образом, чтобы взаимодействовать между собой по принципам логических элементов «и» или «или». Например, когда одна молекула ДНК вытесняет другую на поверхности транзистора, это изменяет электрический заряд и, соответственно, ток, проходящий через элемент. Таким образом, биохимическая реакция преобразуется в цифровой сигнал, который понятен классическому компьютеру. Белки же могут менять свою конфигурацию под воздействием света, температуры или химических веществ, что также фиксируется электронным чипом и используется для вычислений, — объяснил первый автор исследования, ведущий научный сотрудник Центра геномных технологий и биоинформатики МФТИ, доктор технических наук Иван Бобринецкий.
Ключевое преимущество такой системы заключается в ее невероятном параллелизме, то есть способности выполнять множество процессов одновременно. В отличие от обычного процессора, который последовательно исполняет команды, в капле жидкости могут работать миллиарды молекул, каждая решая отдельную часть общей задачи. По расчетам ученых из МФТИ, данный подход окажется особенно полезен для развития персонализированной медицины, требующей быстрого и точного анализа сложных биомедицинских данных. Технология также может пригодиться для надежного хранения информации и создания новых методов шифрования на основе биологических принципов.
На сегодняшний день технология находится на стадии активных лабораторных исследований. Ученые уже демонстрируют работающие прототипы отдельных логических элементов, однако для создания полноценного биокомпьютера предстоит преодолеть ряд серьезных вызовов. Среди приоритетных задач — обеспечение долговременной стабильности биомолекул в составе электронных устройств и разработка стандартных технологических процессов для их массового производства. Сейчас исследователи сосредоточены именно на решении этих проблем, что в будущем позволит создать принципиально новые вычислительные системы, которые объединят лучшие черты живых организмов и кремниевой электроники.
Справка «Известий»Ранее уже предпринимались попытки разработать технологию диагностики множества заболеваний по образцу крови. Однако одна из таких попыток обернулась громким скандалом.
Основательница корпорации Theranos, основанной в 2003 году, Элизабет Холмс заявляла, что стартап совершил революцию в медицине, создав методику проведения огромного спектра анализов с помощью всего лишь одной капли крови из пальца. Для этого якобы использовалось созданное компанией устройство под названием «Эдисон».
На развитие проекта удалось привлечь $900 млн, а стоимость компании оценивалась в $9 млрд. В 2013 году Theranos начала предоставлять услуги клиентам и открыла несколько пунктов сдачи крови в крупных городах США. Однако сведения о технологии и ее возможностях оставались закрытыми. В 2015 году компания стала объектом журналистского расследования, которое выявило, что анализы на самом деле проводятся в сторонних лабораториях, а полученные результаты часто бывают недостоверны.
В конечном итоге технологии, о которой говорили, не существовало. В 2018 году Theranos признали банкротом, а Элизабет Холмс признали виновной в мошенничестве с инвесторами, приговорив ее к 11 годам тюрьмы.
Перспективы ДНК-компьютеровТехнология вычислений на основе ДНК представляет собой очень перспективное направление. В первую очередь она подходит для анализа биомаркеров и диагностики в режиме реального времени, однако возможны и иные области применения, где важную роль играет параллельность вычислений, пояснил «Известиям» доцент научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО, PhD Павел Зун.
— Разработка интерфейсов, связывающих биомолекулярные вычислители и кремниевые схемы, в будущем позволит сочетать химические и традиционные вычислители, объединяя преимущества каждого из этих подходов. Основными практическими ограничениями являются создание систем из молекул с заданными начальными свойствами и получение результатов вычислений из таких систем, особенно когда требуется данные от отдельных молекул, — отметил Павел Зун.
В вычислительной технике молекулы ДНК рассматриваются как носители данных с высокой плотностью памяти. В природе, как известно, одна молекула ДНК хранит целый геном, подчеркнул руководитель сектора квантовых вычислений ЦКТ МГУ и научный руководитель группы Российского квантового центра Станислава Страупе.
— Однако применение ДНК для вычислений осложняется скоростью самих химических реакций, которые протекают сравнительно медленно. Кроме того, результаты многих параллельных вычислений необходимо еще каким-то образом суммировать и анализировать. В целом необходимо тщательно оценить возможности данной технологии. Вероятнее всего, подобные устройства найдут применение в нишевых областях, например, для анализа химических данных, так как они схожи по своей природе, — добавил он.
Технологии с массовым параллелизмом на основе ДНК по сути можно считать нейроморфными, подобными биологическим системам. Такие направления сейчас активно развиваются и могут получить практическое применение, отметил доцент кафедры автоматики и процессов управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Каплун.